工业炉设计 4章(44-50)

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第四章 炉子热平衡和燃料消耗量的计算

炉子热平衡是分析和评价炉子的热工作和炉子设计时的热工指标先进与否的重要依据

之一。另外,通过炉子热平衡可以算出炉子燃料消耗量(炉子设计生产率时),燃料有效利用率以及热量消耗的分配情况。在已知L n 和V n 情况下,可以算出助燃空气消耗量,废气总生成量,可以依据此数据设计计算供风系统和排烟系统。 炉子热平衡的计算对于连续工作的炉子,通常是以单位时间(小时)为基准计算热平衡,其热量单位是千焦/小时。对于周期工作的炉子,通常是以一个工作周期为基准编制热平衡,其热量单位是千焦/周期。

炉子热平衡可以是炉子整个系统各部分热平衡的总和,也可以是某一部分,如换热器、燃烧室、炉膛等。对于工业炉而言,炉膛热平衡是主要的,是计算的中心。本章所述的热平衡即指炉膛热平衡,基准温度是车间的环境温度。

4.1 连续加热炉炉膛热平衡

4.1.1炉膛总的热平衡

(1)热收入项

① 燃料燃烧的化学热(完全燃烧)

Q 烧=BQ 低 kJ/h (4-1) 式中:B —燃料消耗量,kg/h 或标m 3/h ;

Q 低—燃料的低发热量值,kJ/kg 或kJ/标m 3。 ② 预热空气带入的物理热

)(环空空空空t C t C BL Q n '-''= kJ/h (4-2) 式中:L n —空气消耗系数为n 时的实际空气需要量,标m 3/kg 或标m 3/标m 3; t 空、t 环—分别为进入烧嘴时的空气预热温度和环境温度,℃;

空空

、C C '''—分别为空气在0~t 空℃和0~t 环℃的平均比热,kJ/(标m 3

·℃),见表1-5。 ③ 预热燃料带入的物理热

)(环燃燃燃燃t C t C B Q '-''= kJ/h (4-3) 式中:t 燃、t 环—分别为进入烧嘴时的燃料预热温度和环境温度,℃;

燃燃

、C C '''—分别为燃料在0~t 燃℃和0~t 环℃的平均比热,kJ/(kg ·℃)或kJ/(标m 3·℃),见表1-6。

④ 铁氧化放热

Q 放=5588P ·a kJ/h (4-4) 式中:5588—1千克铁氧化时的放热量,kJ/kg ; P —炉子的生产率,kg/h ;

a —铁在炉中的氧化烧损率,kg/kg ,一般取a =0.01~0.02。

所以:Q 入= Q 烧+Q 空+Q 燃+Q 放 (2)热支出项

① 产品带出的物理热(有效热) Q 产=P (C 产t 产-C 料t 料) kJ/h (4-5) 式中:P —炉子的生产率,kg/h ;

t 产、t 料—分别为产品出炉和物料入炉的平均温度,℃;

C 产、C 料—分别为产品在0~t 产℃和物料在0~t 料℃的平均比热,kJ/(kg ·℃),见表3-3或表

3-4。

② 出炉膛废气带出的物理热损失

)(环废膛废膛废膛废膛t C t C BV Q n '-''= kJ/h (4-6) 式中:V n —空气消耗系数为n 时,燃料燃烧产物实际生成量,标m 3/标m 3(kg)

t 废膛—出炉膛的废气温度(设计时由工艺决定),℃; 废膛废膛、C C '''—分别为废气在0~t 废膛℃和0~t 环℃的平均比热,kJ/(标m 3·℃),见表1-5。 ③ 炉内水冷件的冷却水带出的物理热损失 在设计炉子的热工计算中,炉内水冷件的冷却水带出的物理热应在水冷件无绝热的条件下计算。通过此数据计算出的炉子燃料消耗量可以保证水冷件绝热包扎完全脱落情况下实际生产要求。

(a) 理论计算法

Q 水=KF Δt kJ/h (4-7)

式中:k —炉子与冷却水间的总传热系数,kJ/(m 2

·h ·℃); F —水冷却件的受热面积,m 2; Δt —炉气与冷却水的温度差,℃。 Δt 值的计算:

纵水管(逆流): 水入

废膛水出水入废膛水出t t t t t t t t t g g -----=

∆ln )()( ℃ (4-8)

式中:t g —炉内纵水管所处位置炉气的最高温度,℃;

t 废膛—出炉膛的废气温度(由工艺决定),℃; t 水入—进水温度,℃,一般取30~40℃; t 水出—出水温度,℃,一般取50~60℃。 横水管(含立柱水管等): Δt =t g - (t 水入+t 水出)/2 ℃ (4-9) 式中:t g —横水管所处位置的炉气温度,℃。 k 值的计算:

壁T T T T C

k g g -⎪⎪⎭⎫

⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=4

4

100100 kJ/(m 2·h ·℃) (4-10)

式中:C —炉气向水冷却件表面的导来辐射系数,kJ/(m 2·h ·K 4),可按式(2-2)计算;

T g —炉气的平均温度,K ;

T 壁—水冷却件壁的平均温度,K ,一般取比冷却水平均温度值高50℃。 (b) 经验公式算法

加热段(含均热段): 加

加水F T Q g 4

10010⎪⎪⎭

⎝⎛= kJ/h (4-11) 式中:T g 加—加热段炉气平均温度,K ;

F 加—加热段水管的表面积(含横水管和纵水管),米2。

预热段: 预预水F T Q g 54

.310046⎪

⎪⎭

⎫ ⎝⎛= kJ/h (4-12)

式中:T g 预—预热段炉气的平均温度,K ;

F 预—预热段水管表面积(含横水管和纵水管),米2。

按上述方法分别计算出的水冷损失,相加可得水冷总热损失。 ④ 燃料机械不完全燃烧热损失

机械不完全燃烧热损失主要是指使用固体燃料(块煤)时产生的,一般表现在灰渣中残余

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